JP3756523B2

JP3756523B2 - Coherent modulation of CPM signal

Info

Publication number: JP3756523B2
Application number: JP52860897A
Authority: JP
Inventors: ラメシュ，ラジャラム
Original assignee: Ericsson Inc
Current assignee: Ericsson Inc
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2017-01-31
Also published as: DE69722181T2; AU2115697A; BR9707385A; KR19990082417A; EP0879522A1; WO1997029576A1; KR100439553B1; US5796780A; CN1215520A; JP2000504895A; EP0879522B1; AU725402B2; DE69722181D1

Description

本発明の分野
本発明は、一般にディジタル通信の分野に関する。特に、本発明は、ディジタル通信信号をコヒーレントに変調及び復調する方法及びシステムに関する。
本発明の背景
在来の連続位相変調（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｈａｓｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ＣＰＭ）方式（ｓｃｈｅｍｅ）は、この変調方式の連続位相性を実現するために、差分符号化（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｅｎｃｏｄｉｎｇ）を固有に採用する。このような方式は、例えば、Ｔ・オーリン、Ｊ・Ｂ・アンダーソン、及びＣ・Ｅ・Ｗ・サンドバーグ、ディジタル位相変調、通信理論の応用、プリーナム・プレス、ニューヨーク州、ニューヨーク、１９８６（Ｔ．Ａｕｌｉｎ，Ｊ．Ｂ．ＡｎｄｅｒｓｏｎａｎｄＣ．Ｅ．Ｗ．Ｓｕｎｄｂｅｒｇ，ＤｉｇｉｔａｌＰｈａｓｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＴｈｅｏｒｙ，ＰｌｅｎｕｍＰｒｅｓｓ，ＮｅｗＹｏｒｋ，ＮｅｗＹｏｒｋ，１９８６）に説明されている。ＣＰＭ信号は、データ記号を得るために、典型的に、コヒーレント復調器を使用して復調され、次いで差分的に検波される。差分検波処理の１つの欠点は、復調器によって出力された各復調記号中の誤りが２つの出力データ記号中に誤りを生じることである。この誤り率は、コヒーレントに変調された信号のコヒーレント復調によって達成される誤り率の２倍である。
ガウス・チャネル上では、記号誤り率のこの２倍化は、性能に重大な損失を引き起こさない。しかしながら、フェージング・チャネルにわたって、ビット誤り率（ｂｉｔｅｒｒｏｒｒａｔｅ；ＢＥＴ）は信号対雑音比（ｓｉｇｎａｌｔｏｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ；ＳＮＲ）に従って直線的に変動し、それゆえ、記号誤り率２倍化は３ｄＢ性能損失を含意する。この損失を回避するために、コヒーレント符号化ＣＰＭ方式が望ましい。
非線形チャネル及び（又は）フェージング・チャネルで以てのディジタル・データの伝送を必要とするほとんどの応用に対しては、定包絡線ディジタル変調が望ましい。それらの簡単性のゆえに、位相偏移変調（ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｋｅｙｉｎｇ；ＰＳＫ）及び周波数偏移変調（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｓｈｉｆｔｋｅｙｉｎｇ；ＦＳＫ）のような定包絡線変調がしばしば使用されてきた。より有効なスペクトル利用に対する絶えざる要求に駆られて、より帯域幅効率的な変調方式に関する調査が行われてきた。アナログ・フィルタを使用して情報搬送位相の変動を平滑化することによって定包絡線ディジタル方式の帯域幅を縮小させることができることは、知られている。このような変調方式は、連続位相変調（ＣＰＭ）と呼ばれる。
改善されたスペクトル効率に加えて、ＣＰＭ方式は、ＰＳＫ方式にまさる符号化利得（ｃｏｄｉｎｇｇａｉｎ）を提供する。符号化利得は位相整形アナログ・フィルタによって導入されるメモリに因っており、この位相整形アナログ・フィルタは伝送されたデータ記号を復号するために格子復号器（ｔｒｅｌｌｉｓｄｅｃｏｄｅｒ）によって使用され得る。
コヒーレントに変調されたＣＰＭシステムは、例えば、リモルディ、「ＣＰＭに対する分解アプローチ」、情報理論に関する米国電気電子学会論文誌、３４（２）：２６０〜２７０頁（１９８８年）（”ＡＤｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎＡｐｐｒｏａｃｈｔｏＣＰＭ”、ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｈｅｏｒｙ，３４（２）：２６０−２７０（１９８８））に説明されている。リモルディは、線形、時間不変（ｌｉｎｅａｒ，ｔｉｍｅ−ｉｎｖａｒｉａｎｔ）連続位相復号器及び線形、時間不変メモリレス（ｌｉｎｅａｒ，ｔｉｍｅ−ｉｎｖａｒｉａｎｔｍｅｍｏｒｙｌｅｓｓ）変調器を含むＣＰＭシステムを開示している。リモルディによって開示された時間不変を冠せられた位相格子（ｐｈａｓｅｔｒｅｌｌｉｓ）は、簡単化したメモリレス変調器を結果的に生じる。連続位相符号化器及びその復号器はまた、先行ＭＳＫシステムより簡単であり、及び実際の信号対雑音比（ＳＮＲ）に対するビット誤り確率を１／２に減少させる。しかしながら、リモディ・システムは、複雑な実現を教示し、更に、いかに在来のＣＰＭ方法を定包絡線変調方式に変換するかを教示していない。定包絡線変調方式では、データ記号がコヒーレントに符号化される。
ナイキスト−３（Ｎｙｑｕｉｓｔ−３）パルス整形を使用するＣＰＭ方式は、例えば、セイヤー及びパシュパシー、「連続位相変調におけナイキスト３パルス整形」、通信に関する米国電気電子学会論文誌、ＣＯＭ−３５（１）：５７〜６７頁（１９８７年）（ＳａｙｅｒａｎｄＰａｓｕｐａｔｈｙ，”Ｎｙｑｕｉｓｔ３ＰｕｌｓｅＳｈａｐｉｎｇｉｎＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＰｈａｓｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ”，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ＣＯＭ−３５（１）：５７−６７（１９８７））において、移動通信システム内に使用されるために提唱されてきた。セイヤー他は、いかにＣＰＭ方式におけるナイキスト−３パルス整形が全体的に改善されたスペクトル品質を提供するかを開示している。しかしながら、セイヤー他は、いかにナイキスト−３パルスをコヒーレントに変調されたデータ記号用に実際に実現することができるか開示していない。更に、セイヤー他は、在来の受信機フィルタを用いてのナイキスト−３パルス整形の実際応用に固有の性能限界を認識していない。
フェージング・チャネルにわたって低誤り率を維持するためにデータ記号のコヒーレント変調及びコヒーレント符号化を遂行するように連続位相変調方式を適応させることが望ましいであろう。
更に、このようなＣＰＭ信号が簡単な復調器を使用して復調されることが更に望ましいであろう。
本発明の要約
本発明は、ＣＰＭ信号をコヒーレントに変調する方法を提供することによって、上に挙げた問題を克服し、かつ他の利点をもたらす。本発明の模範的実施例によれば、データ記号の形でのディジタル情報が符号化され、符号化された情報がコヒーレントＣＰＭ変調器を通過させられる。受信機は、伝送された情報信号を記号間隔又は他の所定の間隔でサンプルし、かつサンプルされた情報を復調しかつ復号する。
【図面の簡単な説明】
本発明の特徴、動作、及び利点のいっそう完全な理解は、その好適実施例についての次の詳細な説明を添付図面と関連して読むことによって得られる。これらの図面において同様の参照符号は同様の要素を指示する。これらの図面のうちで、
図１は本発明の実施例による模範的通信システムのブロック図である。
図２Ａ、Ｂは本発明による代替模範的通信方法の流れ図である。
図３Ａ、Ｂは、それぞれ、本発明のシステムと方法に使用される模範的位相パルスのプロット図及び完全応答（ｆｕｌｌ−ｒｅｓｐｏｎｓｅ）とナイキスト−３ＣＰＭ方式とのスペクトルのグラフによる比較図である。
図４Ａ、Ｂは狭帯域ＩＦフィルタを使用して受信した信号の、それぞれ、分散プロット図及び目視図（ｅｙｅｄｉａｇｒａｍ）である。
図５は本発明の実施例による補償フィルタを使用して受信した信号の分散プロット図である。
好適実施例の詳細な説明
ＣＰＭ信号は、周波数パルスｇ（ｔ）によって、又は相当する位相パルスｆ（ｔ）によって特徴表示される。これら２つの間の関係は、次の通りである。

典型的に、ｇ（ｔ）は或る区間（０，ＬＴ）に時間限定される。更に、ｆ（ｔ）についての正規化は

である。データ記号の系列ａ_k、及び変調指数（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｉｎｄｅｘ）ｈを用いて、伝送されたＣＰＭ信号は

によって与えられる。ｆ（ｔ）を用いて、等式（３）を

のように書き換えることができる。ＣＰＭ方式の定包絡線性は上の等式から明白である。承知のように、等式（３）及び（４）はＣＰＭ方式における固有の差分復号を採用する。
周波数パルスｇ（ｔ）は区間（０，ＬＴ）にわたってのみ非零であり、ここにＴは記号周期であり、及びＬは正の整数である。これは

を含意する。
上の情報を使用して、等式（４）を伝送されたＣＰＭ信号に対して次のように書き直すことができる。ｍＴ≦ｔ≦（ｍ＋１）Ｔに対して

ここに
τ＝ｔ−ｍＴ、ｋが総和の限界であり、 (7)
及びｍは正の整数である。
例えば、変調指数０．２５を用いる４−レベルＣＰＭ方式において、記号系列ａ_k∈｛−３，−１，１，３｝、及び符号化された記号系列

のように定義することができる。記号ａ_kと符号化された記号

と間の関係を

のように定義することができる。それゆえ、この例におけるＣＰＭ信号は

によって与えられる。等式（１０）から、変調された信号を

によって与えられたデータ無依存（ｄａｔａｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）項ｓ_i（ｔ）と

によって与えられたデータ依存（ｄａｔａｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）項ｓ_d（ｔ）とに分離することができることは、明白である。承知のように、等式（１２）内のｓ_d（ｔ）に対する表示中の第１総和は、複素指数関数演算のおかげで、一意モジュロ４（ｕｎｉｑｕｅｍｏｄｕｌｏ４）のみである。
いま

によって与えられる第２記号系列ｂ_kを考えよう。ここにｍｏｄＮはＮによる除算の剰余を意味する。承知のように、Ｎは一般的場合に２^qによって表してよい。
この例では

であるから、したがって、第２記号系列ｂ_kを用いて、ｓ_d（ｔ）に対する表示を

のように書き直すことができる。ｓ_d（ｔ）に対する表示は、そのままである。
在来のコヒーレント復調器は、第２記号系列ｂ_kを推定することによって第１記号系列ａ_kを検波し、次いで等式（１５）に示された差分検波演算を遂行して第１記号系列ａ_kを決定する。本発明によれば、第２記号系列ｂ_kは情報搬送記号の全てを含み、かつ差分検波は不必要である。したがって、このようなｂ_k信号は、コヒーレントに変調されたＣＰＭ信号である。
図１は、本発明の実施例による模範的通信システムのブロック図を示す。そのシステムは、いくつものデータ記号を含むディジタル情報信号を符号化する符号化器１０及びデータ記号を変調しかつフィルタされかつ符号化されたディジタル信号を送信する変調器１４を有する送信機を含む。変調器１４は、パルス整形用フィルタを含む。そのシステムは、更に、伝送された信号を受信する受信機１６を含む。受信機１６は、伝送された信号を復号する復号器１８を含む。復号器１８は、これを等式（１６）に従って定式化された有限状態機械をモデルするビタビ（Ｖｉｔｅｒｂｉ）復号器によって実現することができるか、又はなんらかの他の適当な復号器を含むことができる。受信機１６は、受信した伝送された信号をフィルタするために、下に更に詳細に説明される狭帯域ＩＦ受信フィルタ又は多重タップ補償フィルタのような、フィルタ（図示されていない）をまた含む。
図２Ａ、Ｂは、本発明により送信機から受信機へデータ通信信号を伝送する２つの代替模範的通信方法を説明する流れ図を示す。図２Ａをまず参照すると、送信機はステップ１００でソースからデータ・ビットを得る。ステップ１０２で、送信機は、ｑデータ・ビットの集合をデータ記号ｂ_kにマップし、ここに記号ｂ_kは値｛０，１，…２^q−１｝の１つを有しかつｋは時間指標（ｔｉｍｅｉｎｄｅｘ）である。承知のように、データ・ビットは、ステップ１０２で遂行されるマッピングに先立ちチャネル符号化器に通過させてよい。
ステップ１０４で、送信機は

の形のデータ依存信号を発生する。ここにｈは整数ＫについてＫ／２^qの形の変調指数であり及びｆ（τ）は正規化位相パルスである。
ステップ１０６で、送信機は

の形のデータ無依存信号を発生する。ステップ１０８で、送信機は、データ依存信号とデータ無依存信号との積である積信号を発生する。ステップ１１０で、積信号が送信機から受信機へ通信チャネルで以て伝送される。
ステップ１１２で、受信機は、伝送された積信号を受信し、かつ受信した信号からデータ記号ｂ_kを推定しかつこれらのデータ記号の推定からデータ・ビットを決定することによって受信した信号を復調及び（又は）復号する。受信機は、好適には、受信した信号の位相角を所定のサンプリング間隔で検波する。ステップ１０２で遂行されるマッピングに先立ちソース・ビット（ｓｏｕｒｃｅｂｉｔ）をチャネル符号化器に通過させた場合、受信した信号は復調器を通過させられ、復調器はチャネル符号化器によって発生された符号化ソース・ビットを表現するソフト情報を出力し、かつソフト情報はソース・ビットを推定するためにチャネル復号器を通過させられる。
図２Ｂは、本発明による代替通信方法を示す。ステップ１００及び１０２は、図２Ａに示された方法におけるのと同じである。図２Ｂの方法は、ステップ１０３で図２Ａの方法と異なっており、このステップで送信機はステップ１０２で発生された記号ｂ_kからデータ記号

を発生し、ここに

かつ次いでａ_kを発生し、ここに

ステップ１０５で、データ記号ａｋが送信機においてＣＰＭ変調器を通過させられて連続位相変調されたデータ信号を形成する。ＣＰＭ変調器は、位相パルス（τ）を有するフィルタを含む。
ステップ１０７で、送信機は、連続位相変調された信号を通信チャネルで以て送信し、かつ伝送された信号が図２Ａに関して上に説明したようにステップ１１２で受信され、サンプルされ、復調され、及び（又は）復号される。
承知のように、本発明の原理を組み込んでいる他の適当な方法は、技術の熟練者に直ちに明らかである。
コヒーレントＣＰＭ用復号／復調器１８は、例えば、ＣＰＭ信号用有限状態機械をモデルするビタビ復号器であることができる。模範的状態機械を、等式（１６）内の記述を使用して定式化することができる。或る１つの状態を、値｛ｂ_m-L，…ｂ_m-l｝のＬ重（Ｌ−ｔｕｐｌｅ）集合によって表現することができる。上の状態にある有限状態機械へのｂ_mなる入力は、状態｛ｂ_m-L，…ｂ_m-l｝への遷移を引き起こす一方、等式（１６）及び（１１）によって与えられる出力信号を発射する。状態の数は、４−レベルＣＰＭ方式では４^Lに等しい。
完全応答ＣＰＭ方式は、そこでは周波数パルスｇ（ｔ）が範囲（０，Ｔ）内でのみ台（ｓｕｐｐｏｒｔ）を有する方式である。このような方式では、変調記号（ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇｓｙｍｂｏｌ）に因る完全応答を１記号間隔内に達成することができる。本発明の模範的実施例によれば、周波数パルスとしてナイキスト−３パルスを使用するためにフィルタとしてナイキスト−３フィルタを使用することによって、ナイキスト−３ＣＰＭ方式を実現することができる。ナイキスト−３パルスは、多数記号間隔にわたって台を有する。しかしながら、もしそのＣＰＭ信号が記号間隔で観察されるならば、その挙動は安全応答ＣＰＭ信号に類似している。
ナイキスト−３位相パルスは、次のように定義される。

このようなパルスは、ｓｉｎｃ関数の逆数に実質的に等しい周波数応答を有するフィルタに零ＩＳＩ（すなわち、ナイキスト・パルス）を通過させることによって、発生させることができる。図３Ａは、ナイキスト−３位相パルスのプロットを例として示す。完全応答パルスは等式（１９）を満足させるが、ナイキスト−３ＣＰＭ方式は完全応答ＣＰＭ方式にまさる改善されたスペクトル品質を提供する。特に、完全応答ＣＰＭの代わりにナイキスト−３ＣＰＭを使用することによってスペクトル内のサイド・ローブ・レベルを可なり減少させることができる。図３Ｂは、周波数パルスとして完全応答方形パルスを使用する４−レベルＣＰＦＳＫのスペクトルと図３Ａの位相パルスを使用するナイキスト−３ＣＰＭ方式のスペクトルとの比較を示す。
数学的に、これを、コヒーレントに変調されたＣＰＭ信号のデータ依存部分に対する等式、すなわち

を考えることによって示すことができる。上の等式内で式（１９）を使用して、記号周期の整数倍において

を生じる。それゆえ、受信した信号からデータ依存部分を除くことによって、サンプリング点で信号を単に観察することによってこの信号を復調することができる。このＣＰＭ変調器１８は、実質的に簡単化をもたらす。
もし狭帯域受信ＩＦファイルが受信機１６内に使用されるならば、信号ひずみが起こり得る。このひずみは、もしＩＦフィルタの通過帯域がＣＰＭ信号エネルギーのほとんどを含む帯域より広いならば、小さいが、しかし図４Ａにおける受信された信号の分散プロット及び図４Ｂにおける目視図によって図解されたように、性能の劣化を招くおそれがある。このひずみはＰＳＫシステムに関して電力の損失を起こす。しかしながら、この損失は、ＣＰＭ信号のピーク対平均電力が低いと云う事実によって相殺される。
補償フィルタは、性能を改善するためにこれを受信機１６内に受信フィルタ用に使用することができる。例えば、半記号間隔でタップ（ｔａｐ）を有する５タップ補償フィルタを使用することができる。補償フィルタは、好適には、入力と既知出力との間の二乗誤りを最小限にするように設計され、かつそれによって、上に説明した在来の受信機フィルタの性能劣化用を実質的に減少させる。実際には、平均最小二乗（ｌｅａｓｔｍｅａｎｓｑｕａｒｅｄ；ＬＭＳ）アルゴリズム又は同等のアルゴズムのようなアルゴリズムを、補償フィルタのタップを決定するために使用することができる。図５は、補償フィルタ付き又はなしで受信した記号の分散プロットを示す。承知のように、補償フィルタは、異常点（ｏｕｔｌｙｉｎｇｐｏｉｎｔ）を実際の星座点（ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｐｏｉｎｔ）に接近させることによって性能を改善する。
以上の説明は多くの詳細及び明細を含むが、承知のように、これらは例に過ぎず、本発明についての限定であると解釈するべきではない。添付の請求の範囲及びそれらの適法な同等なものによって定義された本発明の精神及び範囲に反しない、開示された例への多くの修正は、技術の通常の熟練者に直ちに明白である。The present invention relates generally to the field of digital communications. In particular, the present invention relates to a method and system for coherently modulating and demodulating digital communication signals.
The conventional continuous phase modulation (CPM) scheme (scheme) of the present invention inherently employs differential encoding in order to realize the continuous phase nature of this modulation scheme. Such schemes are described, for example, by T. Aulin, J. B. Anderson, and C. E. W. Sandberg, Digital Phase Modulation, Application of Communication Theory, Plenum Press, New York, NY, 1986 (T. Aulin, JB Anderson and C.E.W. Sundberg, Digital Phase Modulation, Applications of Communications Theory, Plenum Press, New York, New York, 1986). The CPM signal is typically demodulated using a coherent demodulator and then differentially detected to obtain data symbols. One drawback of the differential detection process is that the error in each demodulated symbol output by the demodulator causes an error in the two output data symbols. This error rate is twice the error rate achieved by coherent demodulation of the coherently modulated signal.
On a Gaussian channel, this doubling of the symbol error rate does not cause a significant loss in performance. However, over a fading channel, the bit error rate (BET) varies linearly according to the signal to noise ratio (SNR), so symbol error rate doubling is a 3 dB performance loss. Is implied. In order to avoid this loss, a coherent coded CPM scheme is desirable.
For most applications that require transmission of digital data over a non-linear channel and / or fading channel, constant envelope digital modulation is desirable. Because of their simplicity, constant envelope modulations such as phase-shift keying (PSK) and frequency-shift keying (FSK) have often been used. Driven by the ever-increasing demand for more effective spectrum utilization, research on more bandwidth efficient modulation schemes has been conducted. It is known that the bandwidth of the constant envelope digital system can be reduced by using an analog filter to smooth the variation of the information carrying phase. Such a modulation scheme is called continuous phase modulation (CPM).
In addition to improved spectral efficiency, the CPM scheme provides coding gain over the PSK scheme. The coding gain is due to the memory introduced by the phase shaping analog filter, which can be used by a trellis decoder to decode the transmitted data symbols.
Coherently modulated CPM systems are described, for example, by Rimoldi, “A decomposition approach to CPM”, Journal of the Institute of Electrical and Electronics Engineers of Information Theory, 34 (2): 260-270 (1988) (“A Decomposition Approach to CPM”). ", IEEE Transactions on Information Theory, 34 (2): 260-270 (1988)). Rimoldi discloses a CPM system that includes a linear, time-invariant continuous phase decoder and a linear, time-invariant memoryless modulator. The time-invariant phase trellis disclosed by Rimoldi results in a simplified memoryless modulator. The continuous phase encoder and its decoder are also simpler than previous MSK systems and reduce the bit error probability to the actual signal-to-noise ratio (SNR) by a factor of two. The Remody system, however, teaches complex implementations and does not teach how to convert a conventional CPM method to a constant envelope modulation scheme. In the constant envelope modulation scheme, data symbols are encoded coherently.
CPM schemes using Nyquist-3 pulse shaping are, for example, Sayre and Pashpathy, “Nyquist 3 Pulse Shaping in Continuous Phase Modulation”, Journal of the Institute of Electrical and Electronics Engineers of Communications, COM-35 (1) 57-67 (1987) (Sayer and Pathuphy, “Nyquist 3 Pulse Shaping in Continuous Phase Modulation”, IEEE Transactions on Communications, COM-35 (1): 57-67) Has been advocated for use. Thayer et al. Disclose how Nyquist-3 pulse shaping in the CPM scheme provides an overall improved spectral quality. However, Thayer et al. Do not disclose how Nyquist-3 pulses can actually be implemented for coherently modulated data symbols. Furthermore, Thayer et al. Are not aware of the performance limitations inherent in the practical application of Nyquist-3 pulse shaping using conventional receiver filters.
It would be desirable to adapt the continuous phase modulation scheme to perform coherent modulation and coherent coding of data symbols to maintain a low error rate across the fading channel.
Furthermore, it would be further desirable for such a CPM signal to be demodulated using a simple demodulator.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention overcomes the above-listed problems and provides other advantages by providing a method for coherently modulating a CPM signal. According to an exemplary embodiment of the present invention, digital information in the form of data symbols is encoded and the encoded information is passed through a coherent CPM modulator. The receiver samples the transmitted information signal at symbol intervals or other predetermined intervals and demodulates and decodes the sampled information.
[Brief description of the drawings]
A more complete understanding of the features, operations, and advantages of the present invention may be obtained by reading the following detailed description of the preferred embodiment thereof in conjunction with the accompanying drawings. Like reference symbols in these drawings indicate like elements. Of these drawings,
FIG. 1 is a block diagram of an exemplary communication system according to an embodiment of the present invention.
2A and 2B are a flow chart of an alternative exemplary communication method according to the present invention.
FIGS. 3A and B are plots of exemplary phase pulses used in the system and method of the present invention, and a graphical comparison of full-response and Nyquist-3 CPM spectra, respectively.
4A and 4B are a dispersion plot and an eye diagram, respectively, of a signal received using a narrowband IF filter.
FIG. 5 is a dispersion plot of a signal received using a compensation filter according to an embodiment of the present invention.
Detailed Description of the Preferred Embodiment The CPM signal is characterized by a frequency pulse g (t) or by a corresponding phase pulse f (t). The relationship between these two is as follows.

Typically, g (t) is time limited to a certain interval (0, LT). Furthermore, the normalization for f (t) is

It is. Using the sequence of data symbols a _k and the modulation index h, the transmitted CPM signal is

Given by. Using f (t), equation (3) is

Can be rewritten as The constant envelope of the CPM scheme is evident from the above equation. As is known, equations (3) and (4) employ unique differential decoding in the CPM scheme.
The frequency pulse g (t) is non-zero only over the interval (0, LT), where T is the symbol period and L is a positive integer. this is

Is implied.
Using the above information, equation (4) can be rewritten to the transmitted CPM signal as follows: For mT ≦ t ≦ (m + 1) T

Where τ = t−mT, k is the limit of the sum, (7)
And m are positive integers.
For example, in a 4-level CPM scheme using a modulation index of 0.25, the symbol sequence a _k ε {-3, -1,1,3} and the encoded symbol sequence

Can be defined as follows. Symbol _ak and encoded symbol

The relationship between

Can be defined as follows. Therefore, the CPM signal in this example is

Given by. From equation (10), the modulated signal is

The data independent term s _i (t) given by

It is clear that it can be separated into the data dependent term s _d (t) given by As is known, the first summation in the display for s _d (t) in equation (12) is only unique modulo 4 thanks to the complex exponential operation.
Now

Consider the second symbol sequence b _k given by Here, modN means the remainder of division by N. As will be appreciated, N may be represented by 2 ^{q in the} general case.
In this example

Therefore, using the second symbol sequence b _k , the indication for s _d (t) is

Can be rewritten as The display for s _d (t) remains the same.
The conventional coherent demodulator detects the first symbol sequence a _k by estimating the second symbol sequence b _k , and then performs the differential detection operation shown in equation (15) to perform the first symbol sequence Determine a _k . According to the invention, the second symbol sequence b _k includes all of the information carrying symbols and no differential detection is necessary. Thus, such a b _k signal is a coherently modulated CPM signal.
FIG. 1 shows a block diagram of an exemplary communication system according to an embodiment of the present invention. The system includes a transmitter 10 having an encoder 10 that encodes a digital information signal containing a number of data symbols and a modulator 14 that modulates the data symbols and transmits a filtered and encoded digital signal. The modulator 14 includes a pulse shaping filter. The system further includes a receiver 16 that receives the transmitted signal. The receiver 16 includes a decoder 18 that decodes the transmitted signal. Decoder 18 may implement this by a Viterbi decoder that models a finite state machine formulated according to equation (16), or may include any other suitable decoder. . The receiver 16 also includes a filter (not shown), such as a narrowband IF receive filter or multiple tap compensation filter, described in more detail below, to filter the received transmitted signal.
2A and B show a flow diagram illustrating two alternative exemplary communication methods for transmitting data communication signals from a transmitter to a receiver according to the present invention. Referring first to FIG. 2A, the transmitter obtains data bits from the source at step 100. In step 102, the transmitter maps a set of q data bits to data symbols b _k , where symbol b _k has one of the values {0, 1,... 2 ^q −1} and k is It is a time index. As will be appreciated, the data bits may be passed through the channel encoder prior to the mapping performed in step 102.
In step 104, the transmitter

Generates a data-dependent signal of the form Where h is the modulation index in the form of K / 2 ^q for integer K and f (τ) is the normalized phase pulse.
In step 106, the transmitter

Generate a data independent signal of the form In step 108, the transmitter generates a product signal that is the product of the data dependent signal and the data independent signal. At step 110, the product signal is transmitted over the communication channel from the transmitter to the receiver.
In step 112, the receiver receives the transmitted product signal and demodulates the received signal by estimating data symbols b _k from the received signal and determining data bits from these data symbol estimates. And / or decrypt. The receiver preferably detects the phase angle of the received signal at a predetermined sampling interval. If source bits are passed through the channel encoder prior to the mapping performed in step 102, the received signal is passed through the demodulator, which is the code generated by the channel encoder. Soft information representing the coded source bits is output and the soft information is passed through a channel decoder to estimate the source bits.
FIG. 2B illustrates an alternative communication method according to the present invention.

Steps

100 and 102 are the same as in the method shown in FIG. 2A. The method of FIG. 2B differs from the method of FIG. 2A in step 103, in which the transmitter uses the data symbol from the symbol b _k generated in step

Raised here

And then generate a _k , where

At step 105, the data symbol ak is passed through a CPM modulator at the transmitter to form a continuous phase modulated data signal. The CPM modulator includes a filter having a phase pulse (τ).
In step 107, the transmitter transmits a continuous phase modulated signal over a communication channel, and the transmitted signal is received, sampled, demodulated in step 112 as described above with respect to FIG. 2A, And / or decrypted.
As will be appreciated, other suitable methods incorporating the principles of the present invention will be readily apparent to those skilled in the art.
Coherent CPM decoder / demodulator 18 can be, for example, a Viterbi decoder that models a finite state machine for CPM signals. An exemplary state machine can be formulated using the description in equation (16). One state can be expressed by an L-tuple set of values {b _mL ,... B _ml }. The input b _m to the finite state machine in the upper state causes a transition to the state {b _mL ,... B _ml } while firing the output signal given by equations (16) and (11). The number of states is equal to 4 ^L in the 4-level CPM scheme.
The complete response CPM scheme is a scheme in which the frequency pulse g (t) has a support only within the range (0, T). In such a scheme, a complete response due to the modulation symbol can be achieved within one symbol interval. According to an exemplary embodiment of the present invention, a Nyquist-3 CPM scheme can be realized by using a Nyquist-3 filter as a filter to use a Nyquist-3 pulse as a frequency pulse. The Nyquist-3 pulse has a platform over multiple symbol intervals. However, if the CPM signal is observed at symbol intervals, its behavior is similar to the safety response CPM signal.
A Nyquist-3 phase pulse is defined as:

Such a pulse can be generated by passing a zero ISI (ie, a Nyquist pulse) through a filter having a frequency response substantially equal to the inverse of the sinc function. FIG. 3A shows a Nyquist-3 phase pulse plot as an example. While the fully response pulse satisfies equation (19), the Nyquist-3 CPM scheme provides improved spectral quality over the fully response CPM scheme. In particular, the side lobe level in the spectrum can be significantly reduced by using Nyquist-3 CPM instead of full response CPM. FIG. 3B shows a comparison between the spectrum of 4-level CPFSK using a fully responsive square pulse as the frequency pulse and the spectrum of the Nyquist-3 CPM scheme using the phase pulse of FIG. 3A.
Mathematically, this is an equation for the data dependent part of the coherently modulated CPM signal, ie

Can be shown by thinking. Using the equation (19) in the above equation, at an integer multiple of the symbol period

Produce. Therefore, by removing the data dependent portion from the received signal, this signal can be demodulated by simply observing the signal at the sampling point. This CPM modulator 18 provides substantial simplification.
If a narrowband receive IF file is used in the receiver 16, signal distortion can occur. This distortion is small if the IF filter passband is wider than the band containing most of the CPM signal energy, but as illustrated by the dispersion plot of the received signal in FIG. 4A and the visual view in FIG. 4B. There is a risk of performance degradation. This distortion causes power loss for the PSK system. However, this loss is offset by the fact that the peak to average power of the CPM signal is low.
A compensation filter can be used in the receiver 16 for the receive filter to improve performance. For example, a 5-tap compensation filter having taps at half-symbol intervals can be used. The compensation filter is preferably designed to minimize the square error between the input and the known output, thereby substantially reducing the performance degradation of the conventional receiver filter described above. Decrease. In practice, an algorithm such as a least mean square (LMS) algorithm or an equivalent algorithm can be used to determine the taps of the compensation filter. FIG. 5 shows a scatter plot of symbols received with or without a compensation filter. As will be appreciated, the compensation filter improves performance by bringing the outlining point closer to the actual constellation point.
Although the foregoing description includes many details and specifications, as will be appreciated, these are only examples and should not be construed as limitations on the present invention. Many modifications to the disclosed examples which are not contrary to the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims and their legal equivalents will be readily apparent to those skilled in the art.

Claims

A method for transmitting and receiving a digital communication signal comprising:
Obtaining data bits from the source;
map a set of q data bits to a data symbol b _k having one of 2 ^q values {0, 1,... 2 ^q −1}, where k is the data symbol b _k which is a time index And steps to
Data dependent signal

Where S _d (t) is valid in the time interval mT <t <(m + 1) T, h is a modulation index in the form of K / 2 ^q for integer K, and f (τ) is normal Generating the data-dependent signal that is a normalized phase pulse;
Data independent signal

Wherein S _i (t) generates the data independent signal valid in the time interval mT <t <(m + 1) T ;
Generating a product signal from the data dependent signal and the data independent signal;
Transmitting the product signal over a communication channel;
Receiving the transmitted signal;
Demodulating the received signal by estimating the data symbol b _k from the received signal and determining the data bits from the estimate of the data symbol.

The method of claim 1, wherein the phase pulse has a Nyquist-3 pulse shape.

The method of claim 1, further comprising the step of filtering the received signal through a compensation filter prior to the demodulating step.

The method of claim 1, wherein the demodulating step comprises sampling a phase angle of the received signal at a predetermined sampling interval.

4. The method of claim 3, wherein the compensation filter is a 5-tap compensation filter having taps at half symbol intervals.

6. The method of claim 5, wherein the compensation filter minimizes mean square error between the received signal and a predetermined signal known to the receiver.

7. The method of claim 6, wherein the compensation filter is a multiple tap compensation filter having taps determined by a mean least squares algorithm at predetermined intervals.

The method of claim 1, further comprising the step of encoding the data bits from the source prior to the mapping step, wherein the demodulating step represents the encoded data bits. A method performed by passing the received signal through a demodulator to generate soft information and passing the soft information through a channel decoder to estimate the data bits from the source.

A method for transmitting and receiving a digital communication signal comprising:
Obtaining data bits from the source;
map a set of q data bits to a data symbol b _k having one of 2 ^q values {0, 1,... 2 ^q −1}, where k is the data symbol b _k which is a time index And steps to
A first data symbol signal to form a continuous phase modulation signal;

Raised here

And generate a new data symbol a _k , where

Passing the new data symbol a _k through a continuous phase modulation modulator having a modulation index h and a phase pulse f (τ);
Transmitting the continuous phase modulated signal over a communication channel;
Receiving the transmitted signal;
Demodulating the received signal by estimating the data symbol b _k from the received signal.

10. The method of claim 9, wherein the phase pulse has a Nyquist-3 pulse shape.

10. The method of claim 9, further comprising the step of filtering the received signal through a compensation filter prior to the demodulating step.

10. The method of claim 9, wherein the demodulating step comprises sampling a phase angle of the received signal at a predetermined sampling interval.

12. The method of claim 11, wherein the compensation filter is a 5-tap compensation filter having taps at half symbol intervals.

14. The method of claim 13, wherein the compensation filter minimizes mean square error between the received signal and a predetermined signal known to the receiver.

15. The method of claim 14, wherein the compensation filter is a multi-tap compensation filter having taps determined by a least mean square algorithm at predetermined intervals.

10. The method of claim 9, further comprising encoding the data bits from the source prior to the mapping step, wherein the demodulating step represents the encoded data bits. A method performed by passing the received signal through a demodulator to generate soft information and passing the soft information through a channel decoder to estimate the data bits from the source.